本文档属于类型a，即报告了一项原创性研究。以下是针对该研究的学术报告：
主要作者及研究机构
本研究由Lulu Wang、Yiwei Duo、Yijian Song、Ziqiang Huo、Jiankun Yang、Junxue Ran、Jianchang Yan、Junxi Wang、Jinmin Li和Tongbo Wei共同完成。这些作者主要来自中国科学院半导体研究所宽带隙半导体研究开发中心和中国科学院大学材料科学与光电工程中心。研究于2024年4月29日发表在《Applied Physics Letters》期刊上，文章标题为“Controlled exfoliation of wafer-scale single-crystalline AlN film on MOCVD-grown layered h-BN”。
学术背景
本研究属于半导体材料与器件领域，特别是宽禁带半导体材料的制备与应用。AlN（氮化铝）是一种重要的III族氮化物半导体材料，因其优异的物理和化学性质，在深紫外光电器件（DUV LEDs）中具有广泛的应用前景。然而，传统方法制备的AlN薄膜存在晶格失配、应力积累和位错密度高等问题，限制了其性能的进一步提升。此外，传统剥离技术（如激光剥离和化学蚀刻）存在工艺复杂、成本高且易损伤材料界面的问题。因此，开发一种高效、可控的AlN薄膜剥离技术具有重要意义。
本研究旨在通过使用h-BN（六方氮化硼）作为缓冲层，实现晶圆级单晶AlN薄膜的机械剥离，并揭示AlN在h-BN上的生长行为和剥离机制。研究的目标是制备出低应力、低位错密度的AlN薄膜，并探索其在深紫外光电器件中的应用潜力。
研究流程
1. h-BN缓冲层的制备
在2英寸c面蓝宝石基底上，采用金属有机化学气相沉积（MOCVD）技术，通过流动调制外延（FME）模式生长多层h-BN。生长过程中，使用氨气（NH₃）和三乙基硼（TEB）作为前驱体，生长温度为1460℃，生长时间为6分钟。通过原子力显微镜（AFM）、拉曼光谱和X射线光电子能谱（XPS）表征，确认h-BN的高质量生长。
AlN薄膜的生长
在h-BN缓冲层上，采用一步高温法生长AlN薄膜。为了促进AlN的成核，h-BN表面经过O₂等离子体处理。通过扫描电子显微镜（SEM）和AFM观察AlN的成核和生长过程，发现O₂等离子体处理显著提高了AlN的成核密度和均匀性。
AlN薄膜的机械剥离
通过优化h-BN的厚度和AlN的生长工艺，实现了晶圆级AlN薄膜的机械剥离。研究对比了3 nm、5 nm和9 nm厚度的h-BN对AlN剥离效果的影响，发现5 nm厚度的h-BN最适合实现可控剥离。
表征与分析
使用高角度环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）、能量色散X射线光谱（EDS）和电子能量损失光谱（EELS）对AlN/h-BN界面进行表征，确认h-BN在高温生长后仍保持稳定。通过X射线衍射（XRD）和拉曼光谱分析AlN薄膜的晶体质量和应力状态，发现h-BN显著降低了AlN的双轴应力。
主要结果
1. h-BN缓冲层的高质量生长
AFM和拉曼光谱结果显示，3 nm厚度的h-BN具有原子级平整的表面和高质量的晶体结构，其拉曼特征峰位于1362 cm⁻¹，与块体h-BN一致。
AlN薄膜的生长行为
SEM和AFM观察显示，O₂等离子体处理显著提高了AlN的成核密度，从4.9×10⁹ cm⁻²增加到5.05×10¹⁰ cm⁻²。AlN在h-BN上的生长表现出横向二维（2D）主导的模式，快速形成了连续且平滑的薄膜。
AlN薄膜的机械剥离
5 nm厚度的h-BN成功实现了晶圆级AlN薄膜的机械剥离，剥离后的AlN薄膜具有低应力（0.08 GPa）和低位错密度的特性。
界面表征与晶体质量
HAADF-STEM和EDS结果显示，AlN/h-BN界面清晰，h-BN在高温生长后仍保持稳定。XRD和拉曼光谱分析表明，AlN薄膜的晶体质量在剥离前后保持一致，证明了剥离过程对材料性能的影响较小。
结论
本研究通过使用h-BN作为缓冲层，成功实现了晶圆级单晶AlN薄膜的机械剥离，并揭示了AlN在h-BN上的生长行为和剥离机制。研究结果表明，h-BN不仅能够促进AlN的成核和生长，还能有效释放双轴应力和降低位错密度。这一工作为高质量III族氮化物薄膜的制备提供了一种有效策略，并为深紫外光电器件的垂直结构和柔性器件的发展铺平了道路。
研究亮点
1. 高质量AlN薄膜的制备
通过h-BN缓冲层，成功制备出低应力、低位错密度的AlN薄膜，显著提高了材料的晶体质量。
晶圆级机械剥离技术
实现了晶圆级AlN薄膜的机械剥离，解决了传统剥离技术工艺复杂、成本高且易损伤材料界面的问题。
生长机制与剥离模型的揭示
通过实验和表征，揭示了AlN在h-BN上的准范德华外延（QVDWE）生长行为和剥离机制，为相关研究提供了理论支持。
其他有价值的内容
本研究还探讨了h-BN厚度对AlN剥离效果的影响，发现5 nm厚度的h-BN最适合实现可控剥离。此外，研究还通过EDS和EELS确认了h-BN在高温生长后的稳定性，为h-BN在高温半导体材料制备中的应用提供了实验依据。
本研究不仅在学术上具有重要的科学价值，还为深紫外光电器件的实际应用提供了新的技术路径。